基于混沌的视频数据安全技术研究

发布时间：2020-04-28 14:58

【摘要】：随着移动通信技术和多媒体技术的迅猛发展,视频服务和视频应用已成为人们生产生活中不可缺少的重要组成部分。视频作为多媒体信息的重要载体,已广泛应用于军事保密通信、视频点播、电视电话会议、监控系统等诸多信息化领域。然而,视频在存储和传输过程中容易遭受各种攻击,从而产生一系列安全性问题。因此,对视频数据的加密保护是推动视频应用不断发展的必要技术手段。视频具有数据量大、实时性强、编码结构复杂等特点,传统的密码系统已不适合加密视频数据。混沌密码具有密钥敏感性强、加密速度快、易于部署和实现等优势,因此,用混沌密码来加密视频数据为保护视频内容开辟了新思路。视频数据量巨大,必须经过压缩编码才能存储和传输,因此针对视频数据的加密无论是结合压缩编码过程还是面向压缩码流,都必须考虑视频的压缩编码格式、压缩效率和时间开销。低维混沌系统迭代速度快、效率高适合作为视频加密的密码系统。本文以混沌理论和视频编码理论为基础,利用扩展的单峰混沌系统构造混沌密码,分别针对未经压缩的原始视频和压缩编码后的视频码流,设计了满足安全性和实时性要求的视频加密算法。主要研究工作如下:首先,本文提出了交叉复合单峰混沌系统及均匀化算法。低维混沌系统如Logistic系统迭代速度快,执行效率高,因此时间复杂度较低,特别适用于加密大数据量、强实时性的视频数据。但低维混沌普遍存在轨道分布不均匀,混沌参数区间狭窄等缺陷。因此本文提出了一种新的可扩展相空间的单峰混沌系统,该系统具有恒定的李雅普诺夫指数、可扩展的相空间、更宽的混沌参数范围和没有周期窗口等特点,同时针对单峰混沌系统给出了一般性相空间均匀化算法,解决了相空间边界聚集问题。为进一步提升混沌序列的非线性度和随机性,将单峰混沌系统与扩展的正弦映射复合,形成交叉复合单峰混沌系统,由该系统产生的混沌序列的李雅普诺夫指数增加了一倍,各项随机性测试指标也显著提高,为设计安全的伪随机密钥流产生算法奠定了基础。另外,由于混沌序列都是在实数域范围内的,但密钥流是在二进制整数域的,必须经过离散化过程将混沌序列值转化为整数序列,因此,本文提出了基于线性扰动和非线性耦合的伪随机密钥流产生算法。经典的离散化方法,如阈值法或分段映射法都无法避免计算机有限精度带来的短周期和混沌特性退化问题。本文将线性反馈移位寄存器作为线性扰动部件,再通过比特重组打破周期循环轨道。混沌序列经过与比特重组序列的非线性耦合,使得最终生成的伪随机密钥流序列无精确周期,抗攻击能力增强,满足流密码的安全性要求。第三,针对原始的未经压缩编码的视频文件,本文提出了基于交叉耦合时空混沌的动态视频加密算法。对原始YUV视频的加密通常是将加密与压缩编码相结合,压缩和加密过程同步完成,从而节约时间开销和计算资源。然而,为确保视频格式兼容性,只能采用选择加密方式,提取部分敏感的视频语法元素作为加密对象。加密的语法元素过多会造成编码时间延长,比特率增加,影响压缩效率;加密的视频语法元素过少则会影响加密效果,降低加密视频的安全性。因此,为解决视频加密实时性与安全性无法兼顾的问题,将所有不影响压缩效率和编码格式的可加密视频语法元素构成加密候选域,利用本文设计的交叉耦合时空混沌伪随机序列动态地选择加密操作对象,再将被选定的语法元素与加密密钥流进行数学运算,从而达到加密目的。由于每一帧中被加密的视频信息是随机变化的,因此安全性进一步增强,并确保了实时性和格式兼容性。第四,为保护经过压缩编码的视频信息,本文提出了面向压缩码流的鲁棒性视频加密算法。对编码后的视频码流加密必须在充分解析码流结构的基础上进行,加密操作要避开与解码相关的参数信息,否则将造成解码失败,视频无法正常播放。本文对H.264码流进行了详细解析,最终确定将分片数据负载部分作为加密操作对象,既不影响解码又能对视频内容起到保护作用。另外,现有针对视频码流的加密算法通常采用流密码体系,收发双方利用相同的密钥流实现加解密操作。但是,一旦传输过程中出现丢包,这种方式将使密文和解密密钥流失配,导致解密失败。为解决这一问题,本文提出了同步向量机制,将网络提取层单元的头部和视频分片头部通过同步向量算法生成控制混沌系统的同步信号,使得解密密钥流始终与接收到的密文相匹配,解决了视频加解密的鲁棒性问题。由于同步向量与明文信息相关,则由同步向量控制生成的加密密钥流也与明文相关,因此该视频加密算法可以抵抗选择明文攻击,在满足鲁棒性要求的前提下,视频加密系统的安全性进一步提高。
【图文】：

平衡性,密钥流,近似相等

平衡性测试Fig.3-2Balancetest